Stamfisk og kjønnsmodning Birgitta Norberg, Havforskningsinstituttet, Forskningsstasjonen Austevoll
En vellykket reproduksjon er forutsetningen for alt liv kontroll av reproduksjonen hos en art er en forutsetning for akvakultur
8th International Symposium on Reproductive Physiology og Fish Holdt i St Malo, Frankrike i juni 2007 Ca 400 deltakere 73 foredrag 220 postere Temaene spente fra neuroendokrin regulering av kjønnsmodning til reproduktive strategier.
Stamfiskhold, fekunditet, eggkvalitet Modningskontroll, enkjønnete bestander, steril fisk
LIVSSYKLUS Noen arter trenger hormonbehandling for å kunne fullføre sluttmodning og gyting. Noen arter gyter spontant, andre må strykes. Stryking må tilpasses antall porsjoner (en flere). Riktig vanntemperatur svært viktig! Sluttmodning av rogn og melke Tidspunkt for første modning og gyting manipuleres med endring av fotoperiode. Riktig stamfiskernæring viktig svært energikrevende prosess. Gametogenese dannelse av rogn og melke Vekst - pubertet Gyting - befruktning Tidlig utvikling Kjønnsdifferensiering Maternalt innlagt RNA, hormoner, næringsstoffer har betydning for utvikling Miljøbetingelser / hormonbehandling kan påvirke kjønnskarakterer Vekst og pubertet har en sterk fysiologisk kobling. Lys og fôrrasjon kan brukes for å påvirke begge.
HJERNE-HYPOFYSE-GONADE-AKSEN Fotoperiode Temperatur Ernæring Feromoner Abiotiske miljøfaktorer (forurensing etc) GnRH Aktivering før pubertet Kisspeptin/GPR54 (hjerne)? Leptin (fettvev)? IGF-1 (lever)? Gonadotropiner (FSH/LH) Stress/Cortisol Estradiol Testosterone (ovarievekst) - Kjønnsteroider Progestiner (sluttmodning) +/-
HJERNE Viktigste funksjon i BPG-aksen er stimulering av gonadotropin-syntese i hypofysen, via Gonadotropin Releasing Hormone (GnRH)
HJERNE Gonadotropin-releasing hormones (GnRH) Miljøfaktorer? OB TE OT CCe NPOav MO DA GnRH FSH LH Kjønnssteroider, vekstfaktorer Gonade
HYPOFYSEN Rostral Pars Distalis Pars Nervosa Proximal Pars Distalis Pars Intermedia Flere viktige protein-hormoner blir produsert i hypofysens ulike deler Stimulering eller inhibering via releasing hormones og inhibiting factors fra hjernen I fisk skjer overføring av hormoner fra hjernen til hypofysen via neurosekresjon
GONADOTROPINER FSH - Follicle Stimulating Hormone LH Luteinising Hormone Heterodimere glycoproteiner Felles -subenhet Hormon-spesifikk -subenhet FSH er karakterisert fysiologisk og biokjemisk) i et lite antall arter Fysiologiske studier vanskelige pga av at analysemetode er tilgjengelig for meget få arter (fr a laksefisk) Fox, K. M. et al. Mol Endocrinol 2001;15:378-389
LOKALISERING AV GONADOTROPE CELLER I HYPOFYSEN FSH LH FSH og LH blir produsert i ulike celler i kveitehypofysen GTH Weltzien et al, 2003
VIRKEMÅTER OG EFFEKTER FSH + GnRH I + LH Konstitutiv, regulering av transkription Pulsatil, regulering av frisettelse Tidlig utvikling av oocytter Estradiol-17 -syntese ovarievekst Rekruttering av oocytter til neste gytesesong? Produksjon av modningsindusterende steroid(mis) Sluttmodning Ovulasjon
LIVSSYKLUS Sluttmodning av rogn og melke Gyting - befruktning Gametogenese dannelse av rogn og melke Tidlig utvikling Vekst - pubertet Kjønnsdifferensiering
OVARIE Endokrin funksjon: Produksjon av kjønnssteroider og prostaglandiner Kjønnsceller, lagrer også næring til embryo
OOGENESE Fornying av oogonier Oocyttvekst Sluttmodning og ovulasjon Meiosis start Meiosis arrestert i profase I Meiosis gjenopptatt
VITELLOGENESE Leversyntese og -sekresjon, og spesifikt opptak i oocyttene av plommeproteinet vitellogenin (VTG; tre ulike former). Kontrollert av FSH og estradiol-17 (E2) Hovedårsak til rask ovarievekst E2 kontrollerer også syntese og innlegging av eggeskallsproteinene VTG P450-arom E2 E2 FSH T
Granulosa celle Theca celle TOCELLE-MODELL FOR STEROIDSYNTESE FSH Cholesterol FSH Testosterone (T) E2 P450 Aromatase T Estradiol-17b (E2) Oocytt
OOCYTTUTVIKLING I ATLANTISK LAKS (I) Primær vekstfase: Perinucleolus-stadier Sekundær vekstfase: Cortical alveoli-stadium Nu Eggeskall Nu Oljedråpestadium Taranger at al. 1999
OOCYTTUTVIKLING I ATLANTISK LAKS (II): vitellogenese Plommekorn Eggeskall YG YG Sekundær plommefase Tertiær plommefase Taranger et al. 1999
OVARIEVEKST I TORSK 35 30 female cod Primær vekstfase GSI 25 20 15 Rekruttering av oogonier? 10 Kortikale alveoli Gyting 5 Vitellogenese 0 1.5.05 1.6.05 1.7.05 1.8.05 1.9.05 1.10.05 1.11.05 1.12.05 1.1.06 1.2.06 1.3.06 1.4.06 date
SLUTTMODNING OG OVULASJON 1. pollegeme Ovulasjon GVBD GVM 1. Meiose gjenopptatt 1. Meiose ferdig 2. Meiose arrestert i metafase
SLUTTMODNING OG OVULASJON 17 -P MIS*(17,20 -P) 20 -HSD MIS, prostaglandiner *MIS = Maturation Inducing Steroid Også ved sluttmodning skjer steroidesyntesen via tocelle-modellen. Modningsinduserende steroid (MIS) virker dels via en membran-bunden reseptor på oocytten (sluttmodning), dels intracellulært (ovulasjon), sammen med prostaglandiner
SLUTTMODNING AV EGG - PORSJONSGYTERE 2 Noen egg sluttmodner og blir ovulert mens andre fortsatt er i vitellogenese. 3 1 Pelagiske egg tar opp store mengder vann under sluttmodning predatorbeskyttelse og mekanisk hjelp ved ovulasjon. En VTG-form virker forutbestemt for å splittes opp i aminosyrer og peptider for å øke osmotisk trykk ved vannopptak
Men hannene då?
A Mitose Spg. A; Stamcellefornyelse SPERMATOGENESE A 2. meiosis Mitosesykluser Spermatogonia A 1. meiosis B B B B 1. spermatocytt Spermatocyst/ Sertoliceller Spg. B 2. spermatocytt Spermiogenese Spermatider Spermatozoer Spermiering = cyster brister inn i lumen
Testis mass (g) 11-Ketotestosterone (ng ml -1 plasma) Testosterone (ng ml -1 plasma) TESTISUTVIKLING I KVEITE 70 1,5 Stadium I 60 50 40 1,0 30 20 0,5 10 Stadium II 0 I II III IV V 0,0 I II III IV V 4 5 3 4 Stadium III IG 2 1 3 2 1 0 I II III IV V 0 I II III IV V Stadium IV Stadium V Testes-størrelse, Ig og plasmaandrogenkonsentrasjoner er korrelert med utviklingsstadium
SPERMATOGENESE I TORSK I torsk skjer spermatogenesen langs en gradient i testes. Spermatogonier finnes lengst inn, mens modne spermatozoer ligger lengst ute. Bilder: Cathrine Kristoffersen; Almeida et al 2007
GYTING OG BEFRUKTNING - STAMFISK Variabel eggkvalitet fortsatt til dels stort problem Vi vet fortsatt lite om hva spermkvalitet har å si Torsk og laks vanntemperatur / ernæring Kveite i tillegg håndtering / stryking (tidspunkt) Foredrag v/ Hamre, Taranger, Norberg
LIVSSYKLUS Sluttmodning av rogn og melke Gyting - befruktning Gametogenese dannelse av rogn og melke Tidlig utvikling Vekst - pubertet Kjønnsdifferensiering
KJØNNSDIFFERENSIERING Periode hvor gonadene utvikles til ovarier eller testes Timing og lengde varierer Artsspesifikt vindu hvor fenotypisk kjønn kan påvirkes Foredrag: Haugen et al., (Male et al.); poster: Babiak et al.
LIVSSYKLUS Sluttmodning av rogn og melke Gyting - befruktning Gametogenese dannelse av rogn og melke Tidlig utvikling Vekst - pubertet Kjønnsdifferensiering
PUBERTET Prosess hvor et umodent individ for første gang får evne til å forplante seg Alder ved pubertet genetisk bestemt innen gitte rammer, men kan påvirkes av vekst, ernæringsstatus, fotoperiode
Størrelse Mulig gytesesong Mulig gytesesong Mulig gytesesong VEKST OG PUBERTET Rask vekst= Tidlig modning Kan modne Tid
Oppbygging av gonader og gyting er svært energikrevende prosesser Modning = vekst- og kvalitetstap i fisk som produseres for konsumsjon særlig hannfisk
HVORDAN UNNGÅ TIDLIG MODNING? Begrensing av fôrrasjon kan gi effekt, men vil også gi kraftig redusert vekst per i dag ikke lønnsomt Lysstyring døgnkontinuerlig lys på merd virker vanligvis godt på laks, noe mer komplisert i torsk Lysstyrt kjønnsmodning hos kveite foredrag kl. 17.00: (Kvalitet) A. Imsland et al.! Foredrag denne sesjonen: Male, Rønnestad
EFFEKT AV KONTINUERLIG LYS PÅ KJØNNSMODNING HOS TORSK Fisk flyttet fra henholdsvis NL til LL og omvendt 14 GSI (%) sammenslåtte kjønn og modningsstatus 12 10 8 6 4 2 NL-LL LL LL-NL NL 0 jun. 04 sep. 04 des. 04 apr. 05 jul. 05 okt. 05 feb. 06 Data fra prosjekt159662: Investigations into endocrine changes associated with photoperiod treatment to arrest or promote puberty in male Atlantic cod
UTTRYKK AV GONADOTROPINER I HYPOFYSEN OG PLASMANIVÅER AV KJØNNSSTEROIDER HOS LYSMANIPULERT TORSK Uttrykket av gonadotropiner og plasmanivåer av kjønnssteroider gjenspeilte forskyvningene i tidspunkt for kjønnsmodning i torsk holdt under ulik fotoperiode Data fra prosjekt159662: Investigations into endocrine changes associated with photoperiod treatment to arrest or promote puberty in male Atlantic cod
SPERMATOGENESE I TORSK I torsk skjer spermatogenesen langs en gradient i testes. Spermatogonier finnes lengst inn, mens modne spermatozoer ligger lengst ute. Bilder: Cathrine Kristoffersen; Almeida et al 2007
PROBLEMER MED MODNING I TORSKEOPPDRETT Veksttap høye fôrkostnader Gyting i merd genetisk påvirkning på ville bestander / smittespredning Gyteproblemer i hunfisk stort velferdsproblem STERIL TORSK?
SLUTTKOMMENTAR Stort og vidt forskningsfelt (men blir mindre i Norge) fra befruktning til gyting Svært mye er relevant for havbruk Hovedtrykk i dag på: Kjønnsdeterminering og differensiering. Steril fisk Regulering av vekst og pubertet Økende fokus på Bioteknologi embryologi Maternalt overførte molekyler (RNA, hormoner) HVOR BLIR DET AV STAMFISKEN?
TAKK TIL Teknisk personell ved Havforskningsinstituttet, Forskningsstasjonen Austevoll Nåværende og tidligere kolleger i faggruppe Reproduksjon og vekst (Havforskningsinstituttet) Nasjonale og internasjonale samarbeidspartnere Tidligere og nåværende stipendiater Norges Forskningsråd